A água é frequentemente o recurso essencial para a transferência de calor, sendo utilizada em operações de refrigeração em grande escala, como centros de dados que alimentam a Internet e centrais nucleares que abastecem as cidades. Descobrir fenômenos dinâmicos para tornar a transferência de calor à base de água mais eficiente em termos energéticos e de custo é o trabalho contínuo de Jonathan Boreyko, professor associado e membro do corpo docente John R. Jones III em engenharia mecânica.



Boreyko e sua equipe publicaram extensivamente sobre o tema da água e a forma como ela pode se mover, com membros de seu Laboratório de Fluidos e Interfaces Inspirados na Natureza produzindo gotículas de água que saltam impulsionadas pela tensão superficial e gelo que salta por meio da eletrostática. Tendo incorporado as duas fases líquida e sólida nos dois primeiros volumes, o terceiro volume investiga uma terceira fase com água fervente.

"Durante minha pesquisa de doutorado na Duke University, descobri gotas de água saltando", disse Boreyko. "Uma década depois, meu próprio aluno de pós-graduação descobriu o gelo saltando durante sua pesquisa sobre o crescimento da geada. Isso me determinou a completar uma 'trilogia' de três fases para saltar água, o que alcançamos aqui com este artigo sobre bolhas saltitantes durante a fervura de água. Quando Hyunggon me mostrou os primeiros vídeos dessas bolhas saltitantes que completam a trilogia, nem preciso dizer que eu estava pulando de emoção."

O estudante de graduação Hyunggon Park criou uma caldeira microestruturada capaz de liberar bolhas com um décimo do tamanho normal, implantando uma barragem constante de bolhas para transportar energia. O resultado é um método mais eficiente de remoção de calor de uma superfície. O estudo foi publicado em Advanced Functional Materials .

Com base na fervura

A fervura é a maneira mais eficiente de transferir continuamente calor através da água. Se a ebulição permanecer constante, o mesmo ocorre com a saída de energia. A energia é transportada em bolhas, como carros esféricos transportando passageiros aquecidos. Essas bolhas normalmente partem quando a sua própria flutuabilidade se torna mais forte do que a adesão à superfície, fazendo com que subam à superfície e liberem a energia.

O novo método de Park e Boreyko melhora esse princípio, tornando a frota de carros-bolha menor e mais numerosa. Como há uma saída mais constante de bolhas, mais passageiros de energia também estão saindo. As bolhas não estão à espera da sua própria flutuabilidade para fazer o trabalho, mas estão a saltar para longe da superfície aquecida a um ritmo mais rápido. Como as bolhas também são microscopicamente pequenas, a equipe resolveu um colapso que ocorre com bolhas maiores e impede a remoção de calor.

“Normalmente, a flutuabilidade separa essas bolhas superficiais quando elas têm milímetros de diâmetro, permitindo que escapem e retirem o calor na forma de vapor”, disse Boreyko. "Ao ferver em temperaturas mais altas, essas grandes bolhas superficiais se fundem para formar um filme contínuo de vapor. Este filme isola o líquido da superfície quente, causando uma interrupção na transferência de calor."

Engenharia de nível de superfície

O segredo do método da equipe está nas superfícies projetadas que criaram. Ao fabricar uma série de microcavidades na superfície de ebulição, as bolhas se formam e crescem preferencialmente dentro das cavidades. Pares de cavidades são intencionalmente colocados muito próximos uns dos outros, fazendo com que as bolhas vizinhas se unam em tamanhos incomumente pequenos. Em tamanhos tão pequenos, a força da tensão superficial é muito forte, fazendo com que as bolhas saltem para longe da superfície à medida que se fundem. No caso de um data center, uma remoção mais rápida de calor de uma superfície pode significar a diferença entre os negócios normais e um tempo de inatividade dispendioso.

Em muitos aspectos, esse efeito de bolha saltitante é muito semelhante às gotas saltitantes de orvalho descobertas anteriormente por Boreyko. O uso da tensão superficial mostrou-se valioso em ambos os casos, mas o fator adicional de calor traz uma nova dinâmica ao cenário.

Juntando essas peças, Boreyko espera que o fenômeno do salto seja mais prático ao encontrar aplicações generalizadas para resfriamento e transferência de calor.

“Para fazer as gotas saltarem, a superfície precisa de um revestimento hidrofóbico e de nanoestruturas ultrapequenas, ambos frágeis e caros”, explica Boreyko. "Em contraste, as bolhas preferem saltar em uma superfície hidrofílica, o que permite o uso de metais não revestidos. Além disso, as microcavidades necessárias para saltar bolhas são muito maiores e mais duráveis ​​do que as nanoestruturas necessárias para saltar gotas."

Este projeto estabelece bases mais profundas para a compreensão da mecânica dos fluidos do efeito da bolha saltitante. O próximo passo é medir a melhoria da transferência de calor através da ebulição, mapeada em uma ampla faixa de temperaturas e geometrias de superfície, para obter uma melhor compreensão de todo o potencial da ebulição aprimorada por saltos.

Mais informações: Hyunggon Park et al, Bolhas saltadoras induzidas por coalescência durante a fervura da piscina, Materiais Funcionais Avançados (2023). DOI:10.1002/adfm.202312088
Informações do diário: Materiais Funcionais Avançados

Fornecido por Virginia Tech